WO2023128838A1 - Ограничитель перенапряжений - Google Patents

Ограничитель перенапряжений Download PDF

Info

Publication number
WO2023128838A1
WO2023128838A1 PCT/RU2023/000003 RU2023000003W WO2023128838A1 WO 2023128838 A1 WO2023128838 A1 WO 2023128838A1 RU 2023000003 W RU2023000003 W RU 2023000003W WO 2023128838 A1 WO2023128838 A1 WO 2023128838A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
discharge
electrodes
surge arrester
modules
surge
Prior art date
Application number
PCT/RU2023/000003
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Евгений Юрьевич Енькин
Original Assignee
Акционерное общество "НПО "Стример"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2021139441A external-priority patent/RU2808757C2/ru
Application filed by Акционерное общество "НПО "Стример" filed Critical Акционерное общество "НПО "Стример"
Publication of WO2023128838A1 publication Critical patent/WO2023128838A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/16—Overvoltage arresters using spark gaps having a plurality of gaps arranged in series
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/20—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess voltage
    • H02H3/22—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess voltage of short duration, e.g. lightning

Definitions

  • the invention relates to arresters and, in particular, surge arresters for protection against surges, for example, lightning, electrical installations, high-voltage power lines and electrical networks.
  • the invention also relates to high-voltage transmission lines incorporating elements provided with such surge suppressors.
  • Lightning discharges are one of the most dangerous phenomena for the operation of high-voltage power lines.
  • an overvoltage pulse passes through the power line, which can lead to an emergency shutdown of the power line due to the impulse overlap of the linear insulation and the occurrence of a short circuit, as well as to failure of the electrical equipment connected to it.
  • patent RU2319247 proposes a surge arrester for protecting electrical equipment or a power line, containing a housing, two main electrodes mechanically connected to the housing, and a plurality of varistors located between the main electrodes with mutual displacement, at least along the longitudinal axis corps.
  • Varistors can be made, for example, by casting a molten material with non-linear electrical characteristics into a varistor mold. Varistors made in this way are placed in the housing between the main electrodes.
  • the objective of the present invention is to eliminate the above disadvantages.
  • a surge arrester which includes a housing and discharge modules.
  • the discharge modules include insulating bodies and a plurality of electrodes placed in insulating bodies with discharge gaps between them.
  • the bit modules are placed in the housing and electrically connected in series.
  • the mechanical strength of the housing must be higher than the mechanical strength of the discharge modules.
  • the discharge gaps are preferably insulated (hermetically or non-hermetically) by the housing from the outside.
  • Discharge gaps can be insulated (hermetically or non-hermetically) in discharge modules.
  • the surge arrester electrodes preferably form a plurality of consecutive discharge gaps, the total number of which (ie, consecutive discharge gaps between the surge arrester electrodes) is not less than the operating voltage of the surge arrester divided by the electrode voltage drop.
  • the electrodes of the surge suppressor advantageously form a plurality of discharge gaps in series, the total number of which (i.e., consecutive discharge gaps between the electrodes of the surge suppressor) is no more than the operating voltage of the surge suppressor divided by 10 or 50 or 100 or 500 or 1000 values. near-electrode voltage drop.
  • the surge arrester electrodes may form a plurality of discharge gaps in series, the total number of which (i.e., consecutive discharge gaps between the surge arrester electrodes) is not less than the operation voltage of the surge arrester divided by 500V or 300V or 200V. or 100 V or 50 V or 30 V or 20 V or 15 V or 10 V and/or not more than the operating voltage of the surge arrester divided by 30 V or 20 V or 15 V or 10 V or 5V or 1V or 0.5V.
  • the discharge module may contain not less than 10 or 15 or 20 or 30 or 50 or 100 or 150 or 200 or 300 or 500 electrodes and/or not more than 20 or 30 or 50 or 100 or 150 or 200 or 300 or 500 or 1000 or 1500 or 2000 or 3000 or 5000 electrodes.
  • the surge arrester may contain at least 2 or 3 or 5 or 10 or 15 or 20 or 30 or 50 or 75 or 100 or 150 or 200 or 300 or 500 bit modules and/or not more than 10 or 15 or 20 or 30 or 50 or 75 or 100 or 150 or 200 or 300 or 500 or 1000 or 1500 or 2000 or 3000 bit modules.
  • the electrodes are preferably arranged to form discharge gaps (i.e. essentially discharge gaps) of not more than 0.1 mm or 0.2 mm or 0.3 mm or 0.5 mm or 0.7 mm or 1 mm or 1.2 mm or 1.5 mm.
  • the electrodes are advantageously arranged to form discharge gaps (i.e., essentially discharge gaps) of at least 0.01 mm or 0.02 mm or 0.03 mm or 0.05 mm or 0.07 mm. or 0.1 mm or 0.2 mm or 0.3 mm or 0.5 mm or 0.7 mm or 1 mm.
  • the electrical connection of the discharge modules can be carried out by direct connection of their electrodes or through discharge gaps.
  • the insulating bodies of the discharge modules can be made using a polymeric material or, for example, silicone rubber.
  • the housing can be made using a polymeric material and/or metal and/or a composite structure and/or a reinforcing braid.
  • the housing may include a tube that may be configured to accommodate and/or secure discharge modules within it.
  • the discharge modules may be made in the form of disks, and the housing may include a cylindrical tube, the inner diameter of which is larger than the outer diameter of the discharge modules.
  • the surge suppressor may comprise at least one or more varistors connected in series and/or in parallel with the discharge modules.
  • the technical result of the invention is to increase the reliability of the surge arrester in comparison with surge arresters containing only varistors as non-linear or limiting elements.
  • the increase in reliability consists in a longer service life and greater resistance to external influences, such as strong currents due to lightning strikes of increased power and adverse climatic influences (humidity, temperature, etc.).
  • a surge arrester can, without degradation of its properties or elements (or while maintaining operability), pass through itself stronger currents than varistor surge arresters.
  • Higher currents are caused by lightning strikes closer to the power line, as well as direct lightning strikes (DSL).
  • DSL direct lightning strikes
  • varistors are destroyed or rapidly degraded due to high heat and other related factors, and surge suppressors of the prior art go out of service very quickly. , creating threats of damage by lightning surges for electrical equipment.
  • the proposed surge arrester with multi-electrode multi-gap discharge modules retain their operational properties even after the passage of currents caused by the PSM. Even in cases where varistors are used as part of the proposed surge suppressor and these varistors are destroyed or their properties are degraded, the multielectrode multi-gap discharge modules only slightly heat up and continue to perform their surge protection functions - this means that the proposed surge suppressor is more reliable in terms of compared to limiters from the prior art. Even if the overvoltage pulse is too large, the surge arrester according to the present invention has time to pass through itself the current necessary to limit the overvoltage, and only then can destruction processes begin - this is due to the fact that electrical processes occur much faster than mechanical ones.
  • the reliability of the surge suppressor is increased due to the fact that multielectrode multi-gap discharge modules do not break down or degrade much more slowly than varistors, even with the normal operation of the surge suppressor.
  • the surge suppressor according to the present invention without the use of varistors will retain its properties longer than the surge suppressor of the prior art.
  • the surge arrester in according to the present invention uses varistors in its composition, it will still maintain its performance and protective characteristics longer than the surge suppressor of the prior art with only varistors. This also indicates the increased reliability of the proposed surge arrester.
  • the surge arrester according to the present invention is less sensitive to the tightness of the housing compared to the surge arresters of the prior art.
  • Multielectrode multi-gap discharge modules do not collapse or degrade in the absence of tightness, which significantly increases their reliability and service life compared to varistors.
  • Even in cases where the surge arrester according to the present invention uses varistors in its composition it is still more reliable, because when the case is depressurized, it will retain its operability and protective characteristics, in contrast to the surge arrester from the prior art with only varistors, since after the destruction of the varistors, the protective function will continue to be performed by multi-electrode multi-gap discharge modules.
  • FIG. 1 shows the device of the discharge module in a partial section.
  • FIG. 2 shows the design of the surge arrester in a partial section.
  • FIG. 1 shows, in partial section, a discharge module in the form of a disc.
  • the disc shape is only one of the possible options for implementing the discharge module, and its choice for illustrating the invention is based on a simpler implementation of the surge arrester in the form of a cylinder, which provides increased strength.
  • other forms of discharge modules and the surge suppressor in general are possible and are within the scope of the invention.
  • the insulating body 1 is shown only halfway for greater clarity of the location of the electrodes 2-4.
  • the bit module can be seen in Fig. 2, where all modules, except for the top one, are shown as a whole, without a section.
  • the electrodes 3 protruding from the insulating body 1 shown partially, are in fact completely covered by the dielectric material of which the insulating body is made, and are thus completely within the insulating body.
  • the electrodes 2 and 4 partially protrude from the insulating body 1 as described below.
  • the discharge module consists of an insulating body 1 and a plurality of electrodes 2, 3 and 4 placed in the insulating body and forming discharge gaps between them.
  • the insulating bodies of the discharge modules are preferably made using dielectric materials such as polymeric materials such as silicone rubber. Thanks to the use of such materials, the manufacture of discharge modules is simplified and becomes more technologically advanced, as well as the assembly of a surge arrester using these modules. In addition, the plastic and elastic properties of the insulating bodies of discharge modules made using such materials make it possible to further increase the strength of the surge suppressor as a whole, as will be shown below.
  • the main technical result of the present invention is achieved, namely, an increase in the reliability of surge arresters in comparison with surge arresters that include only varistors.
  • the electrodes 2 and 4 are the extreme electrodes that allow the discharge modules to be connected to each other, and therefore can be called connecting electrodes.
  • Electrodes 2 protrudes on one (lower) side of the disc-shaped discharge module, and electrode 4 protrudes on the other (upper) side of the discharge module.
  • Electrodes 3 are intermediate electrodes located between connecting electrodes 2 and 4, not necessarily geometrically, but in the sense that the discharge begins between one connecting electrode and the intermediate electrode closest to it (for example, going into the same discharge chamber as the main electrode) , further - the discharges sequentially develop in the discharge chambers between the intermediate electrodes and end in the discharge gap between the last intermediate electrode and the second connecting electrode.
  • the connecting electrodes can be connected to adjacent intermediate electrodes directly or preferably through discharge gaps in the discharge chambers - that is, arranged with discharge gaps to each other in the discharge chambers. When connected directly to adjacent intermediate electrodes, the first and last discharge develops between the intermediate electrodes.
  • connection of the discharge modules can be provided without protrusion of the connecting electrodes from the insulating bodies of the modules.
  • the outer surface of the connecting electrodes may be a continuation of the surface of the insulating body or be close to it, for example, with a slight depression.
  • the connecting electrodes of neighboring discharge modules can be connected directly by contact with each other when the modules come into contact with each other or with the help of additional electrodes.
  • discharge modules can be installed with discharge gaps between their electrodes (meaning connecting electrodes). In such a case, it can be said that the discharge modules are connected by means of a discharge gap, with the connecting electrodes of neighboring modules opposite each other.
  • the connecting electrodes can be buried in the insulating bodies in an open or closed manner (in the latter case they are covered with the material of the insulating body) and connected using additional electrodes installed between the connecting electrodes when assembling the surge arrester. Additional electrodes can pass through the insulating body to the connecting electrodes through holes (recesses) in the insulating body formed during their manufacture or when additional electrodes pass through the insulating body. In the event that the connecting electrodes contain holes, additional electrodes can also pass into these holes.
  • the connecting and intermediate electrodes may be collectively referred to as simply electrodes.
  • the electrodes can be made using conductive materials, including graphite and metals such as steel, aluminium, copper, tungsten and other known alloys.
  • the shape of the electrodes can be any, providing the ability to carry out discharges between the electrodes.
  • the electrodes can be made in the form of balls, cylinders, rings, tubes, ellipsoids, discs, prisms, and the like.
  • the manufacture of electrodes from the indicated conductive materials provides an increase in the reliability of the discharge modules and the proposed surge arrester as a whole, since These conductive materials are more resistant to electrical influences and adverse climatic influences than metal-oxide materials of varistors.
  • neither the materials of the insulating body nor the electrodes of the discharge modules exhibit the non-linearity of electrical properties characteristic of metal-oxide materials used to manufacture varistors.
  • the nonlinearity of the properties of the discharge modules, in particular, their resistance, is ensured by the presence of discharge gaps between the electrodes.
  • each discharge gap is reduced, since the total discharge voltage applied to the surge suppressor as a whole and each of its discharge modules in particular is divided by the total number of discharge gaps.
  • a voltage acting in each discharge gap is less than the voltage applied to the surge arrester or the surge in the total number of discharge gaps in the surge arrester.
  • This allows reduce the requirements for electrical and mechanical properties (in particular, strength) of materials used for the manufacture of discharge modules, as a result of which it becomes possible to manufacture insulating bodies of discharge modules using polymeric materials, including silicone rubber.
  • lowering the discharge voltages in each discharge gap makes it possible to reduce their size, which makes it possible to make the surge arrester according to the present invention more compact, for example, in the same dimensions as prior art surge arresters using varistors.
  • FIG. 2 shows the design of the surge arrester as a whole.
  • the bit modules 5, the arrangement of which is shown in detail in FIG. 1 and also in FIG. 2 for the upper module (in particular, the electrodes 3 installed in the insulating body 1 are visible) are placed in the housing 6 and electrically connected in series.
  • the electrical connection of the modules is carried out by interconnecting the connecting electrodes of adjacent discharge modules.
  • a connection electrode protruding upward from the lower discharge module can be connected to a connection electrode protruding downward from the upper discharge module.
  • connection is preferably a direct (direct) electrical connection, however, a connection using discharge gaps between the connecting electrodes of neighboring discharge modules can also be used - in this case, the electric discharge will pass to neighboring modules through a breakdown of the discharge gaps, through which an electric current begins to flow in the form of a spark .
  • the discharge gap itself is an electrical connection between the connecting electrodes of adjacent discharge modules during the breakdown of the discharge gap by an overvoltage pulse with the formation of a discharge arc (current), despite the fact that the discharge gap actually separates these connecting electrodes in the absence of overvoltage and discharge arc.
  • the connecting electrodes of adjacent discharge modules in which they form discharge gaps between them (preferably one between each pair), the connecting electrodes can be considered electrically connected to each other.
  • This method of electrically connecting the connecting electrodes of adjacent discharge modules - through discharge gaps - provides an additional advantage to the present invention, consisting in the fact that in this way additional discharge gaps are organized in the surge arrester, which further reduces the discharge voltage on each of them and, therefore, further increases the reliability of the surge arrester.
  • the housing preferably includes a tube within which the discharge modules can be placed and/or secured.
  • Placement of the bit modules in the housing, including in the pipe is the placement inside the housing (for example, a pipe) of the bit modules.
  • they can be introduced inside through a hole in the housing, or placed in one of the parts of the housing, and then closed by another part of the housing.
  • the discharge modules In order for the discharge modules to be housed in the housing (pipe), they are preferably smaller than the internal dimensions of the housing (pipe).
  • the discharge modules may have the same dimensions as the internal dimensions of the housing (pipe), or even larger - in the latter case, they can be compressed, rolled up or otherwise reshaped in order to fit in the housing (pipe).
  • the discharge modules are preferably fixed inside the housing (eg inside a pipe). Fixing can be carried out by mechanical, thermal, chemical or other means.
  • discharge modules can be fixed inside the housing (tube) due to mechanical fasteners (threaded, snap-on, winding, clamping, etc.), due to an interference fit, when the modules are clamped inside the housing (tube) due to compression of the modules, the size of which slightly exceeds the internal size of the housing (pipe), and other mechanical methods of fastening, or by covering the discharge modules with the housing (pipe with end elements) from all sides.
  • the discharge modules can be fixed inside the housing (pipe) by thermal connection methods, such as soldering, welding, thermal contraction/expansion of materials (these methods are used or can be used to implement, among other things, mechanical fastening methods).
  • the discharge modules can be fixed inside the housing (pipe) by chemical methods such as gluing, partial dissolution, fusion, and the like.
  • housing may include a cylindrical pipe, the use of which simplifies the manufacture or selection of a pipe of the required size, and also increases the strength of the body, since the cylindrical body evenly distributes stress without concentrations.
  • disk discharge modules are predominantly used.
  • the pipe may not have a circular cross section, but oval, elliptical, polygonal, etc.
  • the shape of the discharge modules must correspond to the internal shape of the body and can also be not only round (disk), but also oval, elliptical, polygonal, prismatic, etc.
  • the body 6 of the surge arrester is provided with electrodes 7 that supply voltage to the discharge modules, for which the electrodes 7 can be connected to the connecting electrodes of the extreme discharge modules directly or through the discharge gaps.
  • the electrodes 7 may be referred to as the main electrodes.
  • the electrodes 7 are covers covering the housing 6.
  • the electrodes 7 can be put on the housing 6 or screwed onto it if a threaded connection is provided, which provides increased strength of such a connection and the surge arrester as a whole.
  • the electrodes are part of the housing, since they provide retention of the bit modules 5 inside the housing 6.
  • the connecting electrodes of the extreme discharge modules can pass through the housing and the voltage can be applied directly to them - in this case, the need for electrodes 7 is eliminated.
  • the dimensions of the discharge modules and the housing as a whole preferably correspond to the dimensions of the varistors and the surge suppressor housing of the prior art. This makes it possible to easily and conveniently replace surge arresters from old to new ones.
  • varistors can be replaced by discharge modules and vice versa. Replacing individual discharge modules with varistors in some cases improves the nonlinear properties of the proposed surge arrester. With this replacement, the varistors can be connected in series with the discharge modules and/or in parallel with them.
  • an outer case having increased strength is mandatory because the discharge modules themselves have a soft and fragile insulating body, prone to destruction due to its increase in size.
  • the discharges pass in the discharge gaps between the electrodes, the internal gases are heated, which increases the internal pressure on the insulating body and the electrodes. Due to this pressure from the inside to the outside, the soft and elastic insulating body tends to expand, which ultimately leads to its cracking and destruction, if such expansion of the insulating body is not limited by a strong case that has a greater strength than the discharge modules and, due to this, restrains the expansion of the discharge modules. .
  • the insulating body should preferably be resilient, since this ensures the operability of the discharge modules due to the fact that the electrodes inside such an elastic insulating body can be displaced relative to each other, thereby increasing the discharge gaps during discharges.
  • Increasing the discharge gaps will be especially useful when it is large relative to the dimensions of the gaps themselves, that is, with discharge gaps in fractions of a millimeter (for example, from 0.01 to 0.9 mm (or 1 mm) or from 0.1 to 0.5 mm ). Due to such an increase in the gaps, when the electrodes are moved apart, more favorable conditions are created for quenching the discharges at the end of the overvoltage pulse, and the discharge modules remain operational longer, since the discharge gaps are less susceptible to sintering.
  • the insulating body should preferably be made of elastic materials, such as polymers such as silicone rubber.
  • the mechanical strength of the case must be higher than the mechanical strength of the discharge modules also to increase the reliability of the proposed surge suppressor, since this makes it possible to prevent the destruction of the discharge modules, the insulating bodies of which are made using elastic (soft) and/or hard (hard) materials.
  • the case can be made using metal, a durable polymer material (stronger than that used for discharge modules), a composite structure (composite materials) and/or reinforcing braid, fiberglass, carbon fiber and other durable materials.
  • a durable polymer material stronger than that used for discharge modules
  • a composite structure composite materials
  • reinforcing braid fiberglass, carbon fiber and other durable materials.
  • the use of these materials and/or elements separately or even together for the manufacture of the housing does not in itself provide the strength of the housing more than the strength of the discharge modules.
  • Variants are possible when, for example, even metal, polymeric material, composite structure, reinforcing braid or fiberglass in the housing can break, while the discharge modules remain intact, which means that the discharge module turned out to be stronger than the housing.
  • the ratio of strengths is determined by the design of the housing and discharge modules, as well as the materials used in their designs, in aggregate.
  • Polymeric materials including silicone rubber, can provide the required electrical strength of the discharge modules, which is expressed in the ability to pass a huge number of overvoltage pulses through the discharge modules without changing the electrical properties, for example, the resistivity, of the dielectric material from which the discharge module is made.
  • the required electrical strength it is necessary to ensure mechanical strength, that is, the ability to withstand discharges without mechanical damage or destruction. This requirement is due to the fact that electrical discharges release a large amount of energy, which leads to heating of gases and a sharp increase in pressure on the insulating body in which the discharges occur.
  • the mechanical strength of the discharge modules is ensured by the case, which surrounds them and does not allow the pressure of gases in the discharge gaps to destroy the discharge modules due to the "back pressure" provided by the strong walls of the case.
  • the forces caused by the pressure of gases trying to break the insulating bodies of the discharge modules meet oppositely directed counter-forces imparted to the insulating bodies of the discharge modules by the walls of the strong case, as a result of which the insulating body experiences only a compressive effect, and not tearing.
  • Comparison of strengths can be carried out by mechanical action, for example, until the destruction of the structure of the case or the discharge module. For example, if, under the same mechanical force (pressure), a discharge module or a column of discharge modules deformed more than the case (without modules) or even collapsed (for example, cracks appeared in them or they were divided into several parts), while case still retains its integrity, this will mean that the case is stronger than bit modules.
  • the housing can be covered with a protective coating 8, which can be provided with ribs 9 that increase the length of the current leakage path over the surface.
  • the coating and ribs can be made using polymeric materials, incl. silicone rubber. In some embodiments, the ribs may be missing.
  • the coating is necessary to protect the housing from the damaging effects of the environment, and also increases the strength and reliability of the surge arrester.
  • the discharge gaps are preferably hermetically sealed from the outside by the housing.
  • the discharge arcs can exit the discharge gaps outward from the discharge modules, for example, through the exits from the discharge chambers in which the discharge gaps are located, however, they cannot exit the surge suppressor, since the housing walls block their path. Due to this, it is not necessary to prevent the discharge arcs from merging into one, and it is also not necessary to provide a place for the safe exhaust of the discharge arcs outside the housing.
  • the discharge gaps are sealed directly in the discharge modules.
  • this can be done by surrounding the discharge gaps on all sides not occupied by electrodes with a dielectric material of the insulating body (for example, silicone rubber).
  • a dielectric material of the insulating body for example, silicone rubber.
  • closed sealed discharge chambers are formed near the discharge gaps between adjacent electrodes. Due to the mechanical strength of the discharge modules provided by the increased mechanical strength of the case, the discharge arcs cannot leave the hermetic discharge chambers and will be localized only directly in the discharge gaps. Due to this, even more electrodes can be placed in the discharge modules and an even greater number of discharge gaps can be formed between them, which further reduces the discharge voltage.
  • the discharge gaps can be insulated directly in the discharge modules or by the case from the external space without ensuring the tightness of such isolation. Insulation without tightness means that the discharge gaps are closed for direct entry into (and exit from) them from the external space or from the space between the discharge modules and the case, but at the same time they can be entered through an indirect path, which also provides the possibility of exit from the discharge chambers of discharge gases also along an indirect path.
  • this can be provided by walls or sections in the discharge module or housing that close the discharge gaps (that is, they are not visible due to such walls or section), but at the same time leave gaps or slots for gases to escape from the discharge modules on the side or on away from discharge gaps.
  • FIG. 1 shows a variant where the electrodes are arranged in a spiral. If the discharge chambers had exits to the outside of the discharge module, then only one electrode could be placed at each radius of the module, since the second electrodes would prevent the formation of exits from the discharge chambers. However, in FIG. 1 shows that two electrodes are located at some radii, which became possible due to the fact that the discharge chambers are closed and there is no need to form exits from the discharge chambers. Thus, the execution of the discharge chambers closed (hermetic) ensures the placement of a larger number of electrodes in the discharge modules with the formation of successive discharge gaps between them.
  • either the discharge modules or the surge arrester housing housing the discharge modules, or both the discharge modules and the housing can be sealed.
  • an additional increased reliability of the surge arrester can be provided.
  • an increase in the reliability of the surge suppressor is also achieved.
  • the surge arrester will be operable and reliable even in the case when neither its case nor its discharge modules are hermetic, since the discharge currents will pass through all the discharge gaps, and the output of the discharge arcs and discharge products can be limited both by the discharge modules and the case, including such their mutual arrangement, in which they, being not sealed individually, limit the possibility of discharge arcs and discharge products exiting each of them.
  • the location of the electrodes with the formation of small discharge gaps provides a reduction in the discharge voltage and energy released in the discharge gap during the discharge.
  • the low energy released ensures a slight heating of the gases in the discharge gap (for example, inside the discharge chamber in which this gap is located, which is preferably sealed), which leads to a slight increase in the pressure of these gases and, as a result, to a small effect on the insulating body of the discharge element. and the body of the surge arrester as a whole. This further improves the reliability of the surge suppressor according to the present invention.
  • the minimum size of the discharge gap is determined by the technological features and operational properties of the electrodes, since the discharge gap must be maintained even after numerous discharges, incl. the electrodes must not sinter.
  • the electrodes are preferably located with the formation of discharge gaps, for example, not less than 0.01 mm or 0.02 mm or 0.03 mm or 0.05 mm or 0.07 mm or 0.1 mm or 0.2 mm or 0.3 mm or 0.5 mm or 0.7 mm or 1 mm.
  • the discharges between the electrodes in such a surge arrester can be extinguished when the industrial frequency current passes through zero. However, it is more preferable to extinguish the discharges immediately at the end of the overvoltage pulse. This can be achieved using the near-electrode (cathode) voltage drop, which is characteristic of electric discharges. When an electric discharge occurs on one of the electrodes, electron emission occurs, for which a certain energy is expended, which leads to a near-electrode voltage drop.
  • the discharge In the presence of a near-electrode voltage drop, the discharge cannot be self-sustaining if the potential difference between the electrodes is less than the near-electrode voltage drop. Thus, the emission of electrons from the electrode stops, since the potential difference between the electrodes is not provides energy sufficient to detach an electron from the electrode. As a result, the arc discharge stops, since there are no charge carriers in the discharge gap between the electrodes, and the arc is interrupted and cannot be resumed.
  • the near-electrode voltage drop is greater than the voltage that appears between adjacent electrodes when its operating (working) voltage is applied to the surge suppressor, that is, the voltage at which the surge suppressor is designed for operation, the discharge arc will be extinguished automatically at the end of the overvoltage pulse, and also will not appear without overvoltage.
  • the near-electrode voltage drop must be greater than the operating voltage of the surge arrester (for example, effective voltage or maximum voltage) divided by the number of consecutive discharge gaps.
  • the surge suppressor preferably contains as many electrodes (not less) as sufficient to form such a number of consecutive discharge gaps that is not less than the operating voltage of the surge suppressor (effective or maximum) divided by the electrode voltage drop.
  • the maximum number of electrodes is determined for reasons of manufacturability, weight and size characteristics and can be, for example, not more than the operating voltage of the surge arrester (acting or maximum), divided by 10 or 50 or 100 or 500 or 1000 values of the electrode voltage drop.
  • the near-electrode voltage drop has a different value for different materials.
  • it can be 10-20 V, for others more or less, and also different for non-metallic electrically conductive materials.
  • the above features can be formulated in an alternative way.
  • the electrodes of the surge suppressor preferably form a plurality of discharge gaps in series, the total number of which is not less than the operating voltage of the surge suppressor divided by 500 V or 300 V or 200 V or 100 V or 50 V or 30 V or 20 V or 15 V or 10 V.
  • the surge arrester electrodes preferably form a plurality of discharge gaps in series, the total number which is not more than the operating voltage of the surge arrester divided by 30 V or 20 V or 15 V or 10 V or 5 V or 1 V or 0.5 V.
  • the discharge module may contain at least 10 or 15 or 20 or 30 or 50 or 100 or 150 or 200 or 300 or 500 electrodes, depending on the design of the surge arrester, operating voltage and possible overvoltage values. At the same time, the discharge module preferably contains no more than 20 or 30 or 50 or 100 or 150 or 200 or 300 or 500 or 1000 or 1500 or 2000 or 3000 or 5000 electrodes, depending on both the listed factors and weight and size restrictions.
  • the surge arrester as a whole may contain at least 2 or 3 or 5 or 10 or 15 or 20 or 30 or 50 or 75 or 100 or 150 or 200 or 300 or 500 discharge modules, depending on the design of the surge arrester, operating voltage and possible overvoltage values .
  • the surge arrester advantageously contains no more than 10 or 15 or 20 or 30 or 50 or 75 or 100 or 150 or 200 or 300 or 500 or 1000 or 1500 or 2000 or 3000 bit modules, depending on both the listed factors and from weight and size restrictions.
  • the surge arrester is manufactured in several stages. First, the discharge modules and housing are manufactured, after which the surge arrester can be assembled.
  • the manufacture of bit modules is mainly carried out as follows. In the form for the manufacture of bit modules, electrodes are installed and then the mold is filled with a dielectric material, for example, a liquid or amorphous polymer. Next, the configuration (shape) of the discharge module is fixed, which can be carried out by vulcanization or polymerization or curing of the dielectric material or other methods.
  • a mold for manufacturing a discharge module an injection mold or a mold can be used. The polymer is poured into the injection mold, and the polymer is pressed into the mold.
  • the manufacture of the insulating body can take place in one or more stages, depending on the equipment, technology, shape and material of the insulating body, the shape and relative position of the electrodes.
  • the distance between the electrodes can be reliably set by holes or recesses in the mold into which the electrodes are mounted and/or fixed. If the discharge gaps are small, then to ensure the given distances between the electrodes, which will determine the dimensions of the discharge gaps, the electrodes can be wound in series with a wire, preferably having a high resistivity, for example, nichrome wire. As a result, the distance between the electrodes will be set by the thickness of the wire. Later, after the manufacture of the insulating body is completed, an electric current of such magnitude can be passed through the wire that the wire melts and spreads over the surface of the electrodes, while the required discharge gaps are formed between the electrodes inside the insulating body.
  • a wire preferably having a high resistivity, for example, nichrome wire.
  • the manufacture of the body can be, for example, cutting the pipe to the required size and preparing the covers.
  • threads can be made in caps and pipe ends.
  • the manufacture of a surge arrester from prepared elements can occur as follows. Discharge modules are placed in the housing (for example, a pipe) with connection between the connecting electrodes of neighboring discharge modules in accordance with one of the above options or with the provision of discharge gaps between the connecting electrodes of adjacent discharge modules in another variant.
  • the housing is closed with lids to ensure that the connecting electrodes of the extreme discharge modules come out of the housing or to connect the connecting electrodes of the extreme discharge modules to the outer electrodes. housing or providing the possibility of forming discharge gaps with the connecting electrodes of the extreme discharge modules in the housing and/or housing covers.
  • the connecting electrodes of the extreme discharge modules must be located in the housing, but it must be possible to form discharge gaps with them with any external electrodes (for example, with the outer electrodes of the housing or covers, if they are made in the form of electrodes) due to openings or recesses in the housing and/or housing covers or, if the covers are made in the form of electrodes, due to such an arrangement of the connecting electrodes of the extreme discharge modules and covers, in which there will be discharge gaps between them.
  • any external electrodes for example, with the outer electrodes of the housing or covers, if they are made in the form of electrodes
  • a hole or recess in the housing may allow the development of an electric discharge through it and the flow of the discharge arc from the outer electrode to the connecting electrode located at the bottom of the hole or recess in the housing.
  • the hole or recess in the lid can provide the development of an electric discharge through it and the flow of the discharge arc from the outer electrode to the connecting electrode located at the bottom of the hole or recess in the lid.
  • a hole or recess made simultaneously in the body and cover (when the body and cover are adjacent and the hole or recess is partly made in the body and partly in the cover, or when the body and cover are superimposed on each other and the hole or recess is made as in case and in the cover) can ensure the development of an electric discharge through it and the flow of the discharge arc from the external electrode to the connecting electrode located at the bottom of the hole or recess in the body and cover.
  • the body of the surge arrester can be covered with a protective coating.
  • the surge arrester in accordance with the present invention can be used both by itself and as part of the above protective elements - an insulator-arrester and/or a corona shield.
  • Transmission lines usually contain poles, single insulators and/or insulators assembled into columns or strings, and at least one high voltage wire connected directly or by means of fasteners to the fittings of the single insulators and/or the first column insulators. or garlands of insulators, and each single insulator or each column or garland of insulators is fixed (fixed) on one of the supports by means of an element of its reinforcement adjacent to the specified support.
  • the power line contains at least one surge arrester according to any of the above options and/or at least one arrester screen according to the above option and/or at least one of the insulators is an insulator - arrester as described above.
  • a surge suppressor in accordance with the present invention to protect a high-voltage power line or other types of electrical installations from lightning surges by itself or as part of insulators-arresters or screens makes it possible to increase the reliability of the power line, increase the service life of electrical equipment and reduce the cost of their operation.
  • the surge arrester works as follows. In the normal mode of operation of electrical equipment (in the described example, a power line), between the attachment point of the surge arrester (mainly a support or part of a support of a power line) and the protected object (for example, a wire), the nominal (operational) voltage of the power line is applied, for example, corresponding to the voltage classes of the lines power lines 6, 10, 15, 35 35, 110 kV or others. Such a voltage does not lead to a breakdown of the discharge gaps and no current flows through the surge arrester - thus, in the normal mode, the surge arrester is an electrical break.
  • a surge arrester is a surge arrester.
  • the above technical results are mainly compared to surge arresters of the prior art using varistors. Compared with other arresters, such as multi-chamber arresters, the present invention also has advantages, also representing technical results. In particular, a reduction in the dimensions of the surge arrester is achieved in comparison with surge arresters of the corresponding voltage classes.
  • the reduction in size is ensured by the simultaneous use of the modularity of the design, which makes it possible to place the electrodes in volume, with the exception of the exit of the discharge arcs to the outside of the surge arrester, which makes it possible to place the electrodes more densely, to ensure the structural strength of the housing, which makes it possible to use less durable materials to ensure the necessary properties of the discharge modules, and also by using the effect of the near-electrode voltage drop, which makes it possible to reduce the requirements for the strength characteristics of the surge arrester and, thereby, further reduce the size of the surge arrester. Reducing the size of a surge arrester while maintaining the same voltage class can also be thought of as increasing the voltage class while maintaining the same size of the surge arrester.

Landscapes

  • Thermistors And Varistors (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Изобретение представляет собой ограничитель перенапряжений, включающий в себя корпус и разрядные модули. Разрядные модули включают в себя изоляционные тела и множество электродов, размещенных в изоляционных телах и образующих разрядные зазоры между собой. Разрядные модули размещены в корпусе и последовательно электрически соединены. Механическая прочность корпуса выше механической прочности разрядных модулей. Техническим результатом изобретения является снижение размеров ограничителя перенапряжений по сравнению с ограничителями перенапряжений соответствующих классов напряжений.

Description

ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к разрядникам и, в частности, ограничителям перенапряжений для защиты от перенапряжений, например, грозовых, электроустановок, высоковольтных линий электропередачи и электрических сетей. Изобретение также относится к высоковольтным линиям электропередачи, имеющим в своем составе элементы, снабженные такими ограничителями перенапряжений.
Уровень техники
Молниевые разряды являются одним из наиболее опасных явлений для эксплуатации высоковольтных линий электропередачи. При грозовом разряде в линии электропередачи проходит импульс перенапряжения, который может привести к аварийному отключению линии электропередачи из-за импульсного перекрытия линейной изоляции и возникновения короткого замыкания, а также к выходу из строя электрооборудования, соединенного с ней.
В качестве решения проблемы грозовых перенапряжений в патенте RU2319247 предложен ограничитель перенапряжений для защиты электрооборудования или линии электропередачи, содержащий корпус, два основных электрода, механически связанных с корпусом, и множество варисторов, расположенных между основными электродами с взаимным смещением, по меньшей мере, вдоль продольной оси корпуса.
Варисторы могут изготавливаться, например, путем литья расплавленного материала с нелинейными электрическими характеристиками в форму для изготовления варистора. Изготовленные таким образом варисторы размещают в корпусе между основными электродами.
При воздействии на такой ограничитель перенапряжения импульса грозового перенапряжения сопротивление варисторов резко падает и ток грозового перенапряжения отводится через опору в землю. Как только импульс грозового перенапряжения проходит, сопротивление варисторов восстанавливается и линия электропередачи продолжает бесперебойную работу. Такой способ защиты электрооборудования от перенапряжений является достаточно эффективным. В то же время вышеописанный ограничитель перенапряжений обладает такими недостатками, как недостаточная прочность при больших импульсах тока, протекающих через варисторы, например, при прямых ударах молнии в ЛЭП. Кроме того, варисторы весьма чувствительны к климатическим воздействиям окружающей среды, таким как температура, осадки, влажность и т.п., в связи с чем приходится прикладывать значительные усилия по их изоляции от окружающей среды. Также необходимо отметить недолговечность ограничителей перенапряжений в связи с быстрой деградацией варисторов даже в ходе штатной эксплуатации.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является исключение вышеописанных недостатков.
Задача настоящего изобретения решается с помощью ограничителя перенапряжений, включающего в себя корпус и разрядные модули. Разрядные модули включают в себя изоляционные тела и множество электродов, размещенных в изоляционных телах с разрядными зазорами между собой. Разрядные модули размещены в корпусе и последовательно электрически соединены. Механическая прочность корпуса должна быть выше механической прочности разрядных модулей.
Разрядные зазоры преимущественно изолированы (герметично или негерметично) корпусом от внешнего пространства. Разрядные зазоры могут быть изолированы (герметично или негерметично) в разрядных модулях. Электроды ограничителя перенапряжений предпочтительно формируют множество последовательных разрядных зазоров, общее количество которых (т.е. последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений) составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на приэлектродное падение напряжения. Кроме того, электроды ограничителя перенапряжений преимущественно формируют множество последовательных разрядных зазоров, общее количество которых (т.е. последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений) составляет не более величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 10 или 50 или 100 или 500 или 1000 величин приэлектродного падения напряжения.
В частности, электроды ограничителя перенапряжений могут формировать множество последовательных разрядных зазоров, общее количество которых (т.е. последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений) составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 500 В или на 300 В или на 200 В или на 100 В или на 50 В или на 30 В или на 20 В или на 15 В или на 10 В и/или не более величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 30 В или на 20 В или на 15 В или на 10 В или на 5 В или на 1 В или на 0,5 В.
Разрядный модуль может содержать не менее 10 или 15 или 20 или 30 или 50 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 электродов и/или не более 20 или 30 или 50 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 или 1000 или 1500 или 2000 или 3000 или 5000 электродов. Кроме того, ограничитель перенапряжений может содержать не менее 2 или 3 или 5 или 10 или 15 или 20 или 30 или 50 или 75 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 разрядных модулей и/или не более 10 или 15 или 20 или 30 или 50 или 75 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 или 1000 или 1500 или 2000 или 3000 разрядных модулей.
Электроды предпочтительно расположены с образованием разрядных зазоров (т.е., по сути, с разрядными зазорами) величиной не более 0,1 мм или 0,2 мм или 0,3 мм или 0,5 мм или 0,7 мм или 1 мм или 1 ,2 мм или 1 ,5 мм. Кроме того, электроды преимущественно расположены с образованием разрядных зазоров (т.е., по сути, с разрядными зазорами) величиной не менее 0,01 мм или 0,02 мм или 0,03 мм или 0,05 мм или 0,07 мм или 0,1 мм или 0,2 мм или 0,3 мм или 0,5 мм или 0,7 мм или 1 мм.
Электрическое соединение разрядных модулей может осуществляться непосредственным соединением их электродов или через разрядные зазоры. Изоляционные тела разрядных модулей могут быть выполнены с использованием полимерного материала или, например, силиконовой резины. Корпус может быть выполнен с использованием полимерного материала и/или металла и/или композитной структуры и/или арматурной оплетки. Корпус может включать в себя трубу, которая может быть выполнена с возможностью размещения и/или закрепления внутри нее разрядных модулей. Разрядные модули могут быть выполнены в виде дисков, а корпус может включать в себя цилиндрическую трубу, внутренний диаметр которой больше внешнего диаметра разрядных модулей. Ограничитель перенапряжения может содержать, по меньшей мере один или более варисторов, включенных последовательно и/или параллельно с разрядными модулями.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности ограничителя перенапряжений по сравнению с ограничителями перенапряжений, содержащих в качестве нелинейных или ограничительных элементов только варисторы. Рост надежности заключается в большем сроке эксплуатации и большей устойчивости ко внешним воздействиям, таким как сильные токи вследствие молниевых ударов повышенной мощности и неблагоприятные климатические воздействия (влажности, температура и т.п.).
В частности, ограничитель перенапряжений может без деградации своих свойств или элементов (или при сохранении работоспособности) пропускать через себя более сильные токи, чем варисторные ограничители перенапряжений. Более сильные токи вызываются более близкими к линии электропередачи ударами молний, а также прямыми ударами молний (ПУМ). В результате сильных токов, протекающих через варисторы и вызванных более мощными перенапряжениями, появляющихся в линии электропередачи в результате близких и прямых ударов молний, варисторы разрушаются или ускоренно деградируют вследствие сильного нагрева и других сопутствующих факторов, и ограничители перенапряжений из уровня техники очень быстро выходят из эксплуатации, создавая угрозы поражения грозовыми перенапряжениями для электрооборудования.
Предложенный же ограничитель перенапряжения с мультиэлектродными многозазорными разрядными модулями сохраняют свои эксплуатационные свойства даже после прохождения токов, вызванных ПУМ. Даже в тех случаях, когда в составе предложенного ограничителя перенапряжений использованы варисторы и эти варисторы разрушились или их свойства деградировали, мультиэлектродные многозазорные разрядные модули лишь незначительно нагреваются и продолжают осуществлять свои функции защиты от перенапряжений - это и означает, что предложенный ограничитель перенапряжений является более надежным по сравнению с ограничителями из уровня техники. Даже если импульс перенапряжения слишком велик, ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением успевает пропустить через себя ток, необходимый для ограничения перенапряжения, и только затем могут начаться процессы разрушения - это связано с тем, что электрические процессы происходят значительно быстрее, чем механические.
Кроме того, надежность ограничителя перенапряжений повышена из-за того, что мультиэлектродные многозазорные разрядные модули не разрушаются или деградируют значительно медленнее, чем варисторы, даже при штатной работе ограничителя перенапряжений. Это значит, что ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением без использования варисторов будет дольше сохранять свои свойства по сравнению с ограничителем перенапряжений из уровня техники. Даже в тех вариантах, когда ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением использует в своем составе варисторы, он все равно будет сохранять свою работоспособность и защитные характеристики дольше, чем ограничитель перенапряжений из уровня техники только с варисторами. Это также говорит о повышенной надежности предложенного ограничителя перенапряжений.
Также необходимо отметить, что ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением менее чувствителен к герметичности корпуса по сравнению с ограничителями из уровня техники. Мультиэлектродные многозазорные разрядные модули не разрушаются или не деградируют при отсутствии герметичности, что значительно увеличивает их надежность и срок службы по сравнению с варисторами. Даже в тех вариантах, когда ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением использует в своем составе варисторы, он все равно является более надежным, поскольку при разгерметизации корпуса он будет сохранять свою работоспособность и защитные характеристики в отличие от ограничителя перенапряжений из уровня техники только с варисторами, поскольку после разрушения варисторов защитную функцию продолжат выполнять мультиэлектродные многозазорные разрядные модули.
Все вышеприведенные факторы свидетельствуют о повышенной надежности ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано устройство разрядного модуля в частичном разрезе.
На фиг. 2 представлена конструкция ограничителя перенапряжений в частичном разрезе.
Осуществление изобретения
Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на сопровождающие чертежи и частные варианты осуществления. Такое описание дается с целью пояснения изобретения на частных примерах и не предназначено для ограничения объема охраны настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. В то же время при необходимости в формуле изобретения могут быть приведены признаки из описания с целью более точного определения объема охраны. На фиг. 1 в частичном разрезе показан разрядный модуль, выполненный в виде диска. Форма диска является лишь одним из возможных вариантов реализации разрядного модуля и ее выбор для иллюстрации изобретения основан на более простой реализации ограничителя перенапряжений в виде цилиндра, что обеспечивает повышенную прочность. В других вариантах реализации возможны другие формы разрядных модулей и ограничителя перенапряжений в целом, которые входят в объем охраны изобретения.
Изоляционное тело 1 показано лишь наполовину для большей ясности расположения электродов 2-4. В полноценном виде разрядный модуль можно увидеть на фиг. 2, где все модули, кроме верхнего, показаны в целом виде, без разреза. На фиг. 1 электроды 3, выступающие из изоляционного тела 1 , показанного частично, на самом деле полностью закрыты диэлектрическим материалом, из которого выполнено изоляционное тело, и, таким образом, находятся полностью в изоляционном теле. Электроды 2 и 4 частично выступают из изоляционного тела 1 , как это описано далее.
Разрядный модуль состоит из изоляционного тела 1 и множества электродов 2, 3 и 4, размещенных в изоляционном теле и образующих разрядные зазоры между собой. Изоляционные тела разрядных модулей предпочтительно выполнены с использованием таких диэлектрических материалов, как полимерные материалы, например, силиконовая резина. Благодаря использованию таких материалов упрощается и становится более технологичным изготовление разрядных модулей, а также сборка ограничителя перенапряжений с использованием этих модулей. Кроме того, пластичные и упругие свойства изоляционных тел разрядных модулей, выполненных с использованием таких материалов, позволяют дополнительно повысить прочность ограничителя перенапряжений в целом, как это будет показано далее.
Также с помощью таких разрядных модулей достигается основной технический результат настоящего изобретения, а именно повышение надежности ограничителей перенапряжений по сравнению с ограничителями перенапряжений, включающих в свой состав исключительно варисторы. Это происходит благодаря тому, что материалы, используемые при изготовлении изоляционного тела разрядного модуля - например, полимерные материалы, в том числе силиконовая резина, более устойчивы к электрическим воздействиям и неблагоприятным климатическим воздействиям, чем металл-оксидные материалы варисторов. Электроды 2 и 4 представляют собой крайние электроды, обеспечивающие возможность соединения между собой разрядных модулей, и поэтому могут называться соединительными электродами. Они предназначены для подачи в разрядный модуль напряжения (в т.ч. перенапряжения) и с этой целью могут выступать из изоляционного тела или же может предусматриваться возможность подключения к ним через изоляционное теле, если расположены полностью в нем, с помощью соединительных электродов, пропускаемых через мягкое изоляционное тело (например, выполненное из силикона) или через отверстие в изоляционном теле. Например, на фиг. 1 электрод 2 выступает на одну (нижнюю) сторону разрядного модуля, выполненного в форме диска, а электрод 4 выступает на другую (верхнюю) сторону разрядного модуля.
Электроды 3 являются промежуточными электродами, расположенными между соединительными электродами 2 и 4 не обязательно геометрически, а в том смысле, что разряд начинается между одним соединительным электродом и ближним к нему (например, выходящим в ту же разрядную камеру, что и основной электрод) промежуточным электродом, далее - разряды последовательно развиваются в разрядных камерах между промежуточными электродами и заканчиваются в разрядном зазоре между последним промежуточным электродом и вторым соединительными электродом. Соединительные электроды могут быть соединены с соседними промежуточными электродами непосредственно или, предпочтительно, через разрядные зазоры в разрядных камерах - то есть расположены с разрядными зазорами между собой в разрядных камерах. При непосредственном соединении с соседними промежуточными электродами первый и последний разряд развиваются между промежуточными электродами.
Соединение разрядных модулей может быть обеспечено и без выступания соединительных электродов из изоляционных тел модулей. Например, внешняя поверхность соединительных электродов может быть продолжением поверхности изоляционного тела или быть близкой к ней, например, с незначительным углублением. Тогда соединительные электрода соседних разрядных модулей могут соединяться непосредственно путем контакта между собой при соприкосновении модулей друг с другом или с помощью дополнительных электродов. Кроме того, разрядные модули могут устанавливаться с обеспечением разрядных зазоров между их электродами (имеются ввиду соединительные электроды). В таком случае может говориться о том, что разрядные модули соединены с помощью разрядного зазора при расположении соединительных электродов соседних модулей друг напротив друга. Кроме того, соединительные электроды могут быть заглублены в изоляционных телах открытым или закрытым образом (в последнем случае они покрыты материалом изоляционного тела) и соединяться с помощью дополнительных электродов, устанавливаемых между соединительными электродами при сборке ограничителя перенапряжений. Дополнительные электроды могут проходить через изоляционное тело к соединительным электродам через отверстия (углубления) в изоляционном теле, формируемые при их изготовлении или при прохождении через изоляционное тело дополнительных электродов. В том случае, если соединительные электроды содержат отверстия, дополнительные электроды могут проходить в том числе в эти отверстия.
Соединительные и промежуточные электроды совместно могут называться просто электродами. Электроды могут быть выполнены с использованием токопроводящих материалов, в том числе графита и металлов, например, стальных, алюминиевых, медных, вольфрамовых и других известных сплавов. Форма электродов может быть любой, обеспечивающей возможность осуществления разрядов между электродами. Например, электроды могут быть выполнены в виде шариков, цилиндров, колец, трубочек, эллипсоидов, дисков, призм и т.п.
Изготовление электродов из указанных токопроводящих материалов обеспечивает повышение надежности разрядных модулей и предложенного ограничителя перенапряжений в целом, т.к. указанные токопроводящие материалы имеют большую устойчивость к электрическим воздействиям и неблагоприятным климатическим воздействиям, чем металл-оксидные материалы варисторов. В то же время ни материалы изоляционного тела, ни электродов разрядных модулей не обладают нелинейностью электрических свойств, характерной для металл-оксидных материалов, используемых для изготовления варисторов. Нелинейность свойств разрядных модулей, в частности, их сопротивление, обеспечивается наличием разрядных зазоров между электродами.
Благодаря применению множества электродов с образованием множества разрядных зазоров между ними снижается разрядное напряжение в каждом разрядном зазоре, поскольку общее разрядное напряжение, подаваемое на ограничитель перенапряжений в целом и каждый из его разрядных модулей в частности, делится на общее количество разрядных зазоров. Таким образом, в каждом разрядном зазоре действует напряжение, меньшее поданного на ограничитель перенапряжений напряжения или перенапряжения в общее количество разрядных зазоров в ограничителе перенапряжений. Это позволяет снизить требования к электрическим и механическим свойствам (в частности, прочности) материалов, применяемых для изготовления разрядных модулей, в результате чего становится возможным реализация изоляционных тел разрядных модулей с использованием полимерных материалов, в том числе силиконовой резины. Кроме того, снижение разрядных напряжений в каждом разрядном зазоре позволяет уменьшить их размеры, что открывает возможность выполнения ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением более компактным, например, в тех же размерах, что ограничители перенапряжений из уровня техники, использующие варисторы.
На фиг. 2 показана конструкция ограничителя перенапряжений в целом. Разрядные модули 5, устройство которых детально показано на фиг. 1 , а также на фиг. 2 для верхнего модуля (в частности, видны электроды 3, установленные в изоляционном теле 1), размещены в корпусе 6 и последовательно электрически соединены. Электрическое соединение модулей выполняется путем соединения между собой соединительных электродов соседних разрядных модулей. В частности, могут быть соединены соединительный электрод, выступающий вверх из нижнего разрядного модуля, с соединительным электродом, выступающим вниз из верхнего разрядного модуля. Соединение предпочтительно является непосредственным (прямым) электрическим соединением, однако может применяться и соединение с помощью разрядных зазоров между соединительными электродами соседних разрядных модулей - в таком случае электрический разряд будет переходить на соседние модули через пробой разрядных зазоров, через которые начинает течь электрический ток в виде искры.
Таким образом, при установке разрядных модулей с разрядным зазором между соединительными электродами соседних модулей сам разрядный зазор представляет собой электрическое соединение соединительных электродов соседних разрядных модулей при пробое разрядного зазора импульсом перенапряжения с формированием разрядной дуги (тока), несмотря на то что разрядный зазор фактически разделяет эти соединительные электроды при отсутствии перенапряжения и разрядной дуги. Однако благодаря такому расположению соединительных электродов соседних разрядных модулей, при котором они формируют разрядные зазоры между собой (предпочтительно по одному между каждой парой), соединительные электроды могут считаться электрически соединенными между собой. Такой способ электрического соединения соединительных электродов соседних разрядных модулей - через разрядных зазоры - обеспечивает дополнительное преимущество настоящему изобретению, заключающееся в том, что так в ограничителе перенапряжений организованы дополнительные разрядные зазоры, что дополнительно снижает разрядное напряжение на каждом из них и, следовательно, дополнительно повышает надежность ограничителя перенапряжений.
Корпус предпочтительно содержит трубу, внутри которой могут размещаться и/или закрепляться разрядные модули. Размещение разрядных модулей в корпусе, в том числе в трубе, представляет собой помещение внутрь корпуса (например, трубы), разрядных модулей. Например, они могут вводиться внутрь через отверстие в корпусе или размещаться в одной из частей корпуса, а потом закрываться другой частью корпуса. Для того, чтобы разрядные модули могли быть размещены в корпусе (трубе), они предпочтительно имеют размеры меньше, чем внутренние размеры корпуса (трубы). Однако в некоторых вариантах разрядные модули могут иметь такие же размеры, как внутренние размеры корпуса (трубы), или даже больше - в последнем случае они могут сжиматься, сворачиваться или другим образом менять форму для того, чтобы разместиться в корпусе (трубе).
Разрядные модули предпочтительно закреплены внутри корпуса (например, внутри трубы). Закрепление может осуществляться механическими, тепловыми, химическими или другими способами. Например, разрядные модули могут быть закреплены внутри корпуса (трубы) за счет механических креплений (резьбовых, защелочных, обмоточных, прижимных и т.п.), за счет посадки с натягом, когда модули зажаты внутри корпуса (трубы) за счет сжатия модулей, размер которых незначительно превышает внутренний размер корпуса (трубы), и других механических способов крепления, или путем охвата разрядных модулей корпусом (трубой с торцевыми элементами) со всех сторон. В других вариантах разрядные модули могут быть закреплены внутри корпуса (трубы) за счет тепловых способов соединений, таких как пайка, сварка, тепловое сжатие/расширение материалов (эти способы используют или могут быть использованы для реализации, в том числе, механических способов крепления). Кроме того, разрядные модули могут быть закреплены внутри корпуса (трубы) с помощью химических методов, таких как приклеивание, частичное растворение, сплавление и т.п.
Благодаря протяженности трубы в продольном направлении в ней можно размещать разное количество разрядных модулей в соответствии с тем напряжением, на которое рассчитан ограничитель перенапряжений, а длина трубы может быть технологично изменена в соответствии с количеством разрядных модулей путем резания или пиления. В частности, как показано на фиг. 2, корпус может включать в себя цилиндрическую трубу, применение которой упрощает изготовление или подбор трубы необходимого размера, а также повышает прочность корпуса, так как цилиндрическое тело равномерно распределяет напряжение без концентраций. В цилиндрической трубе преимущественно используются дисковые разрядные модули. В других вариантах труба может иметь не круглое сечение, а овальное, эллиптическое, многоугольное и т.п. Форма разрядных модулей должна соответствовать внутренней форме корпуса и также может быть не только круглой (дисковой), но и овальной, эллиптической, многоугольной, призматической и т.п.
В показанном на фиг. 2 варианте реализации корпус 6 ограничителя перенапряжений снабжен электродами 7, обеспечивающими подачу напряжения на разрядные модули, для чего электроды 7 могут быть соединены с соединительными электродам крайних разрядных модулей непосредственно или через разрядные зазоры. Электроды 7 могут называться основными электродами. Как видно на фиг. 2, электроды 7 представляют собой крышки, закрывающие корпус 6. Например, электроды 7 могут надеваться на корпус 6 или накручиваться на него, если предусмотрено резьбовое соединение, которое обеспечивает повышенную прочность такого соединения и ограничителя перенапряжений в целом. В таком виде электроды входят в состав корпуса, поскольку обеспечивают удержание разрядных модулей 5 внутри корпуса 6. Однако возможны и другие варианты выполнения корпуса и обеспечения подачи напряжения на разрядные модули. В частности, соединительные электроды крайних разрядных модулей могут проходить через корпус и напряжение может подаваться сразу на них - в таком случае необходимость в электродах 7 отсутствует.
Размеры разрядных модулей и корпуса в целом предпочтительно соответствовать размерам варисторов и корпуса ограничителей перенапряжений из уровня техники. Это обеспечивает возможность простой и удобной замены ограничителей перенапряжений со старых на новые. Кроме того, в ограничителях напряжений варисторы могут быть заменены на разрядные модули и наоборот. Замена отдельных разрядных модулей на варисторы в некоторых случаях позволяет улучшить нелинейные свойства предложенного ограничителя перенапряжений. При такой замене варисторы могут подключаться последовательно с разрядными модулями и/или параллельно им.
Что касается замены варисторов разрядными модулями в обычных ограничителях напряжения из уровня техники, то это невозможно ввиду того, что корпуса ограничителей перенапряжений из уровня техники не обладают повышенной прочность, необходимой для разрядных модулей, поскольку для варисторов достаточно обеспечить герметичность корпуса, что предотвращает неблагоприятное климатическое воздействие на варисторы, а сами варисторы имеют достаточную механическую прочность. Кроме того, повышение прочности корпуса ограничителей перенапряжений из уровня техники не привела бы к большей надежности работы варисторов, поскольку варисторы разрушаются и раскалываются при прохождении сильных токов не из-за возможного расширения, а вследствие термических воздействий и концентрации токов на неоднородностях внутренней структуры варисторов.
Для разрядных же модулей ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением внешний корпус, обладающий повышенной прочностью, обязателен потому, что сами разрядные модули обладают мягким и непрочным изоляционным телом, склонным к разрушению вследствие увеличения своего размера. При прохождении разрядов в разрядных зазорах между электродами происходит нагрев внутренних газов, что повышает внутреннее давление на изоляционное тело и электроды. Вследствие этого давления изнутри наружу мягкое и упругое изоляционное тело стремится расшириться, что в конечном итоге приводит к его растрескиванию и разрушению, если такое расширение изоляционного тела не ограничить прочным корпусом, обладающим большей прочностью, чем разрядные модули и, благодаря этому, сдерживающим расширение разрядных модулей.
С другой стороны, изоляционное тело предпочтительно должно быть упругим, поскольку это обеспечивает работоспособность разрядных модулей вследствие того, что электроды внутри такого упругого изоляционного тела могут смещаться друг относительно друга, обеспечивая тем самым увеличение разрядных зазоров во время протекания разрядов. Увеличение разрядных зазоров будет особенно полезным, когда оно велико относительно размеров самих зазоров, то есть при разрядных зазорах в доли миллиметра (например, от 0,01 до 0,9 мм (или 1 мм) или от 0,1 до 0,5 мм). Благодаря такому увеличению зазоров при раздвижении электродов создаются более благоприятные условия для гашения разрядов при окончании импульса перенапряжения, а разрядные модули дольше сохраняют работоспособность, поскольку разрядные зазоры меньше подвержены спеканию.
Таким образом, изоляционное тело для обеспечения повышенной надежности предпочтительно должно быть изготовлено из упругих материалов, таких как полимерные, например, силиконовая резина. Механическая же прочность корпуса должна быть выше механической прочности разрядных модулей также для повышения надежности предложенного ограничителя перенапряжений, поскольку это позволяет предотвращать разрушение разрядных модулей, изоляционные тела которых изготовлены с использованием упругих (мягких) и/или твердых (жестких) материалов.
Для обеспечения повышенной по сравнению с разрядными модулями механической прочности корпус может быть выполнен с использованием металла, прочного полимерного материала (более прочного, чем использованного для разрядных модулей), композитной структуры (композитных материалов) и/или арматурной оплетки, стеклоткани, углепластика и других прочных материалов. В то же время необходимо учитывать, что применение указанных материалов и/или элементов по отдельности или даже совместно для изготовления корпуса не обеспечивает само по себе прочность корпуса больше, чем прочность разрядных модулей. Возможны варианты, когда, например даже металл, полимерный материал, композитная структура, арматурная оплетка или стеклоткань в корпусе могут разрываться, в то время как разрядные модули остаются целыми, что означает, что разрядный модуль оказался прочнее корпуса. Соотношение прочностей определяется конструкциями корпуса и разрядных модулей, а также материалами, использованными в их конструкциях, в совокупности.
Превышение механической прочности корпуса над механической прочностью разрядных модулей необходимо потому, что разрядные модули не могут сами для себя обеспечить достаточную прочность. Связано это также с тем, что изготовление разрядных модулей из материалов повышенной прочности является нетехнологичным в отличие от применения гибких и упругих полимерных материалов, таких как силиконовая резина, которые можно заливать или запрессовывать в форму для изготовления разрядного модуля и в дальнейшем вулканизировать, полимеризовать или отверждать - то есть фиксировать, закреплять конфигурацию (форму) разрядных модулей.
Полимерные материалы, в том числе силиконовая резина, могут обеспечивать необходимую электрическую прочность разрядных модулей, что выражается в способности пропускания через разрядные модули огромного количества импульсов перенапряжений без изменения электрических свойств, например, удельного сопротивления, диэлектрического материала, из которого изготовлен разрядный модуль. Однако для реализации требуемой электрической прочности необходимо обеспечить механическую прочность, то есть способность выдерживать разряды без механических повреждений или разрушений. Это требование связано с тем, что электрические разряды выделяют большое количество энергии, что приводит к нагреву газов и резкому росту давления на изоляционное тело, в котором происходят разряды.
В соответствии с настоящим изобретением механическую прочность разрядных модулей обеспечивает корпус, которых их окружает и не дает давлению газов в разрядных зазорах разрушать разрядные модули благодаря «противодавлению», обеспечиваемому прочными стенками корпуса. Силы, вызываемые давлением газов, пытающегося разорвать изоляционные тела разрядных модулей, встречают противоположно направленные силы противодействия, придаваемые изоляционным телам разрядных модулей стенками прочного корпуса, в результате чего изоляционное тело испытывает только сжимающее воздействие, а не разрывающее.
Сравнение прочностей корпуса и разрядных модулей проводится в направлении, перпендикулярном продольному (на фиг. 1 и 2 - в горизонтальном направлении), поскольку разрядные модули, как показано на фиг. 2, размещены один над другим и по большей части механическое воздействие в продольном (вертикальном) направлении воспринимается и взаимокомпенсируется соседними разрядными модулями с двух сторон. Крайние разрядные модули воздействуют на крышки, закрывающие торцы корпуса, которые в варианте, показанном на фиг. 2, выполнены в виде основных электродов. Крышки прочно прикреплены к корпусу и оказывают противодавление на крайние разрядные модули в продольном направлении. В направлении, поперечном продольному (т.е. горизонтальном на фиг. 2), давление, появляющееся в разрядных модулях вследствие электрических разрядов в разрядных зазорах, воздействует на стенки корпуса и, как следствие, именно в этом направлении корпус должен быть прочнее разрядных модулей.
Сравнение прочностей может осуществляться механическим воздействием, например, до разрушения конструкции корпуса или разрядного модуля. Например, если при одном и том же механическом усилии (давлении) разрядный модуль или колонка разрядных модулей деформировались больше, чем корпус (без модулей) или даже разрушились (например, в них появились трещины или они разделились на несколько частей), в то время как корпус еще сохраняет свою целостность, то это будет означать, что корпус прочнее, чем разрядные модули. Корпус может быть покрыт защитным покрытием 8, которое может быть снабжено ребрами 9, увеличивающими длину пути утечки тока по поверхности. Покрытие и ребра могут быть выполнены с использованием полимерных материалов, в т.ч. силиконовой резины. В некоторых вариантах ребра могут отсутствовать. Покрытие необходимо для защиты корпуса от разрушительных воздействий окружающей среды, а также повышает прочность и надежность ограничителя перенапряжений.
С целью предотвращения выхода разрядных дуг наружу ограничителя перенапряжений, что позволяет разместить в разрядных модулях большее количество электродов и образовать между ними большее количество разрядных зазоров, что снижает напряжение разряда, разрядные зазоры предпочтительно герметично изолированы корпусом от внешнего пространства. В таком варианте реализации разрядные дуги могут выходить из разрядных зазоров по направлению наружу из разрядных модулей, например, через выходы из разрядных камер, в которых расположены разрядные зазоры, однако они не могут выйти наружу ограничителя перенапряжений, поскольку стенки корпуса преграждают им путь. Благодаря этому не требуется предотвращение слияния разрядных дуг в одну, а также не требуется предусматривать место для безопасного выхлопа разрядных дуг снаружи корпуса.
В предпочтительном варианте разрядные зазоры герметично изолированы непосредственно в разрядных модулях. Для такой изоляции достаточно не выполнять выходов для разрядных дуг от разрядных зазоров наружи разрядного модуля. Например, это можно сделать, окружив разрядные зазоры со всех сторон, не занятых электродами, диэлектрическим материалом изоляционного тела (например, силиконовой резиной). В результате около разрядных зазоров между соседними электродами формируются замкнутые герметичные разрядные камеры. Благодаря механической прочности разрядных модулей, обеспечиваемой повышенной механической прочностью корпуса, разрядные дуги не смогут выйти из герметичных разрядных камер и будут локализованы только непосредственно в разрядных зазорах. Благодаря этому в разрядных модулях можно разместит еще больше электродов и образовать между ними еще большее количество разрядных зазоров, что дополнительно снижает напряжение разряда. Кроме того, это повышает надежность ограничителя напряжений в целом, поскольку в таком варианте герметичность корпуса не является обязательной, то есть корпус может быть негерметичным или разгерметизируемым, и в таких вариантах разрядные модули, в отличие от варисторов, сохранят свои свойства и ограничитель перенапряжений сможет дольше эксплуатироваться.
В то же время следует отметить, что разрядные зазоры могут изолироваться непосредственно в разрядных модулях или корпусом от внешнего пространства без обеспечения герметичности такого изолирования. Изолирование без герметичности подразумевает закрытость разрядных зазоров для прямого попадания в них (и выхода из них) из внешнего пространства или из пространства между разрядными модулями и корпусом, но в то же время в них можно попасть по непрямому пути, что также обеспечивает возможность выхода из разрядных камер разрядных газов также по непрямому пути. Например, это может быть обеспечено стенками или участками в разрядном модуле или корпусе, которые закрывают разрядные зазоры (то есть они не видны из-за таких стенок или участком), но при этом оставляют зазоры или щели для выхода из разрядных модулей газов сбоку или на удалении от разрядных зазоров.
На фиг. 1 показан вариант, где электроды расположены спиралью. Если бы разрядные камеры имели выходы наружу разрядного модуля, то на каждом радиусе модуля можно было бы разместить только по одному электроду, поскольку вторые электроды препятствовали бы формированию выходов из разрядных камер. Однако на фиг. 1 показано, что на некоторых радиусах расположено по два электрода, что стало возможно благодаря тому, что разрядные камеры закрыты и нет необходимости в формировании выходов из разрядных камер. Таким образом, выполнение разрядных камер замкнутыми (герметичными) обеспечивает размещение в разрядных модулях большего количества электродов с образованием между ними последовательных разрядных зазоров.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, герметичными могут быть выполнены либо разрядные модули, либо корпус ограничителя перенапряжений, в котором размещаются разрядные модули, либо и разрядные модули, и корпус. В последнем варианте может быть обеспечена дополнительно повышенная надежность ограничителя перенапряжений. Однако в тех вариантах, когда герметичными выполнены только либо разрядные модули (а корпус негерметичен), либо корпус (а разрядные модули негерметичны), также достигается повышение надежности ограничителя перенапряжений. В целом ограничитель перенапряжений будет работоспособным и надежным даже в том варианте, когда ни его корпус, ни его разрядные модули не являются герметичными, поскольку разрядные токи будут проходить через все разрядные зазоры, а выход разрядных дуг и продуктов разрядов может быть ограничен как разрядными модулями, так и корпусом, в том числе таким их взаимным расположением, при котором они, будучи не герметичными каждый по отдельности, ограничивают возможность выхода из каждого из них разрядных дуг и продуктов разрядов.
Расположение электродов с образованием разрядных зазоров небольшой величины, например, не более 0,1 мм или 0,2 мм или 0,3 мм или 0,5 мм или 0,7 мм или 1 мм или 1 ,2 мм или 1 ,5 мм, обеспечивает снижение разрядного напряжения и энергии, выделяемой в разрядном зазоре в ходе разряда. Низкая выделяемая энергия обеспечивает слабый нагрев газов в разрядном зазоре (например, внутри разрядной камеры, в которой находится этот зазор, которая предпочтительно является герметичной), что приводит к незначительному повышению давления этих газов и, как следствие, к малому воздействию на изоляционное тело разрядного элемента и корпус ограничителя перенапряжений в целом. Это дополнительно повышает надежность ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением.
Минимальный размер разрядного зазора определяется технологическими особенностями и эксплуатационными свойствами электродов, поскольку разрядный зазор должен сохраняться даже после многочисленных разрядов, в т.ч. электроды не должны спекаться. Для обеспечения надежности ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением электроды предпочтительно располагаются с образованием разрядных зазоров, например, не менее 0,01 мм или 0,02 мм или 0,03 мм или 0,05 мм или 0,07 мм или 0,1 мм или 0,2 мм или 0,3 мм или 0,5 мм или 0,7 мм или 1 мм.
Гашение разрядов между электродами в таком ограничителе перенапряжений может происходить при переходе тока промышленной частоты через ноль. Однако более предпочтительным является гашение разрядов сразу при окончании импульса перенапряжения. Это может быть обеспечено с использованием приэлектродного (катодного) падения напряжения, характерного для электрических разрядов. При электрическом разряде на одном из электродов происходит эмиссия электронов, на которую затрачивается определенная энергия, что приводит к приэлектродному падению напряжения.
При наличии приэлектродного падения напряжения разряд не может самоподдерживаться в том случае, если разность потенциалов между электродами меньше приэлектродного падения напряжения. Таким образом, эмиссия электронов из электрода прекращается, поскольку разность потенциалов между электродами не обеспечивает энергии, достаточной для отрыва электрона от электрода. В результате дуговой разряд прекращается, поскольку в разрядном зазоре между электродами отсутствуют носители заряда, и дуга прерывается и не может возобновиться.
В том случае, когда приэлектродное падение напряжения больше напряжения, появляющегося между соседними электродами при приложении к ограничителю перенапряжений его эксплуатационного (рабочего) напряжения, то есть того напряжения, на эксплуатацию при котором рассчитан ограничитель перенапряжений, разрядная дуга будет гаситься автоматически при окончании импульса перенапряжения, а также не будет появляться без перенапряжения. Для этого приэлектродное падение напряжения должно быть больше величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений (например, действующего напряжения или максимального напряжения), поделенной на количество последовательных разрядных зазоров.
Это означает, что в ограничителе перенапряжений предпочтительно содержится столько электродов (не меньше), сколько достаточно для формирования такого количества последовательных разрядных зазоров, которое составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений (действующего или максимального), поделенной на приэлектродное падение напряжения. Максимальное количество электродов определяется из соображений технологичности, массогабаритных характеристик и может быть, например, не более величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений (действующего или максимального), поделенной на 10 или 50 или 100 или 500 или 1000 величин приэлектродного падения напряжения.
Приэлектродное падение напряжения имеет разную величину для разных материалов. Для некоторых металлов оно может иметь значение 10-20 В, для других больше или меньше, а также отличаться для неметаллических электропроводящих материалов. В связи с этим указанные выше признаки можно сформулировать альтернативным образом. В частности, электроды ограничителя перенапряжений предпочтительно формируют множество последовательных разрядных зазоров, общее количество которых составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 500 В или на 300 В или на 200 В или на 100 В или на 50 В или на 30 В или на 20 В или на 15 В или на 10 В. Кроме того, электроды ограничителя перенапряжений предпочтительно формируют множество последовательных разрядных зазоров, общее количество которых составляет не более величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 30 В или на 20 В или на 15 В или на 10 В или на 5 В или на 1 В или на 0,5 В.
Благодаря использованию эффекта приэлектродного падения напряжения удается обеспечить разрыв разрядных дуг сразу при окончании импульса перенапряжения и, тем самым, минимизировать воздействие разрядных дуг на ограничитель перенапряжений, в частности, его разрядные модули и, более конкретно, диэлектрический материал, из которого выполнены изоляционные тела. Все это позволяет дополнительно снизить требования к применяемым для изготовления изоляционных тел разрядных модулей и корпуса ограничителя перенапряжений материалам, так как снижается давление в ограничителе перенапряжений, появляющееся при прохождении импульса перенапряжения, что может дополнительно повысить технологичность изготовления ограничителя перенапряжений.
Разрядный модуль может содержать не менее 10 или 15 или 20 или 30 или 50 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 электродов в зависимости от конструкции ограничителя перенапряжений, эксплуатационного напряжения и возможных величин перенапряжений. В то же время разрядный модуль предпочтительно содержит не более 20 или 30 или 50 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 или 1000 или 1500 или 2000 или 3000 или 5000 электродов в зависимости как от перечисленных факторов, так и от массогабаритных ограничений.
Ограничитель перенапряжений в целом может содержать не менее 2 или 3 или 5 или 10 или 15 или 20 или 30 или 50 или 75 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 разрядных модулей в зависимости от конструкции ограничителя перенапряжений, эксплуатационного напряжения и возможных величин перенапряжений. В то же время ограничитель перенапряжений преимущественно содержит не более 10 или 15 или 20 или 30 или 50 или 75 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 или 1000 или 1500 или 2000 или 3000 разрядных модулей в зависимости как от перечисленных факторов, так и от массогабаритных ограничений.
Ограничитель перенапряжений изготавливается в несколько этапов. Сначала изготавливаются разрядные модули и корпус, после чего может быть собран ограничитель перенапряжений. Изготовление разрядных модулей преимущественно осуществляется следующим образом. В форму для изготовления разрядных модулей устанавливаются электроды и далее форма заполняется диэлектрическим материалом, например, жидким или аморфным полимером. Далее закрепляют конфигурацию (форму) разрядного модуля, что может осуществляться путем вулканизации или полимеризации или отверждения диэлектрического материала или др. способами. В качестве формы для изготовления разрядного модуля могут использовать литьевую форму или пресс-форму. В литьевую форму полимер льют, а в пресс-форму полимер запрессовывают. Изготовление изоляционного тела может происходить в одну или несколько стадий в зависимости от оборудования, технологии, формы и материала изоляционного тела, формы и взаимного расположения электродов.
В том случае, когда разрядные зазоры достаточно велики, например, 1 мм или более, расстояние между электродами может быть надежно задано отверстиями или углублениями в форме, в которые устанавливаются и/или закрепляются электроды. Если же разрядные зазоры небольшие, то для обеспечения заданных расстояний между электродами, которые и будут определять размеры разрядных зазоров, электроды могут быть последовательно обмотаны проволокой, предпочтительно имеющей высокое удельное сопротивление, например, нихромовой проволокой. В результате расстояние между электродами будет задаваться толщиной проволоки. В дальнейшем, после завершения изготовления изоляционного тела, через проволоку может быть пропущен электрический ток такой величины, что проволока расплавится и распределится по поверхности электродов, в то время как между электродами внутри изоляционного тела сформируются требуемые разрядные зазоры.
Изготовление корпуса может представлять собой, например, отрезание трубы необходимого размера и подготовку крышек. В частности, в крышках и на концах трубы может быть сделана резьба.
Изготовление ограничителя перенапряжений из подготовленных элементов может происходить следующим образом. В корпус (например, трубу) помещаются разрядные модули с обеспечением соединения между собой соединительных электродов соседних разрядных модулей в соответствии с одним из вышеописанных вариантов или с обеспечением разрядных зазоров между соединительными электродами соседних разрядных модулей по другому варианту. Корпус закрывается крышками с обеспечением выхода соединительных электродов крайних разрядных модулей наружу корпуса или с обеспечением соединения соединительных электродов крайних разрядных модулей с наружными электродами корпуса или с обеспечением возможности формирования разрядных зазоров с соединительными электродами крайних разрядных модулей в корпусе и/или крышках корпуса.
В последнем варианте соединительные электроды крайних разрядных модулей должны находиться в корпусе, но при этом должна быть обеспечена возможность формирования с ними разрядных зазоров с какими-либо внешними электродами (например, с наружными электродами корпуса или крышками, если они выполнены в виде электродов) за счет отверстий или углублений в корпусе и/или крышках корпуса или, если крышки выполнены в виде электродов, за счет такого расположения соединительные электроды крайних разрядных модулей и крышек, при котором между ними будут разрядные зазоры.
Например, отверстие или углубление в корпусе может обеспечивать развитие через него электрического разряда и протекание разрядной дуги от внешнего электрода до соединительного электрода, находящегося на дне отверстия или углубления в корпусе. Отверстие или углубление в крышке может обеспечивать развитие через него электрического разряда и протекание разрядной дуги от внешнего электрода до соединительного электрода, находящегося на дне отверстия или углубления в крышке. Кроме того, отверстие или углубление, выполненное одновременно в корпусе и крышке (когда корпус и крышка расположены рядом и отверстие или углубление частично выполнено в корпусе, а частично в крышке, или когда корпус и крышка наложены друг на друга и отверстие или углубление выполнено как в корпусе, так и в крышке) может обеспечивать развитие через него электрического разряда и протекание разрядной дуги от внешнего электрода до соединительного электрода, находящегося на дне отверстия или углубления в корпусе и крышке.
В дальнейшем корпус ограничителя перенапряжений может быть покрыт защитным покрытием.
В составе линий электропередач ограничитель перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением может использоваться как сам по себе, так и в составе вышеуказанных защитных элементов - изолятора-разрядника и/или экрана для защиты от коронного разряда. Линии электропередачи обычно содержат опоры, одиночные изоляторы и/или изоляторы, собранные в колонки или гирлянды, и, по меньшей мере, один находящийся под высоким электрическим напряжением провод, связанный непосредственно или посредством крепежных устройств с элементами арматуры одиночных изоляторов и/или первых изоляторов колонок или гирлянд изоляторов, причем каждый одиночный изолятор или каждая колонка или гирлянда изоляторов закреплен (закреплена) на одной из опор посредством элемента своей арматуры, смежного с указанной опорой. В соответствии с изобретением линия электропередачи содержит, по меньшей мере, один ограничитель перенапряжений по любому из вышеописанных вариантов и/или, по меньшей мере, один экран-разрядник по вышеописанному варианту и/или, по меньшей мере, один из изоляторов представляет собой изолятор-разрядник по вышеописанному варианту.
Применение для защиты высоковольтной линии электропередачи или других видов электроустановок от грозовых перенапряжений ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением самого по себе или в составе изоляторов-разрядников или экранов позволяет повысить надежность работы линии электропередачи, увеличить длительность срока службы электрооборудования и снизить затраты на их эксплуатацию.
Ограничитель перенапряжений работает следующим образом. В штатном режиме работы электрооборудования (в описываемом примере - линии электропередачи) между местом крепления ограничителя перенапряжений (преимущественно опорой или частью опоры линии электропередачи) и защищаемым объектом (например, проводом) приложено штатное (эксплуатационное) напряжение линии электропередачи, например, соответствующее классам напряжений линий электропередачи 6, 10, 15, 35 35, 110 кВ или другим. Такое напряжение не приводит к пробою разрядных промежутков и через ограничитель перенапряжений ток не течет - таким образом, в штатном режиме ограничитель перенапряжений представляет собой электрический разрыв.
При наличии на защищаемом объекте перенапряжения, например, в результате попадания в него или прохождении рядом с ним молниевого разряда, к ограничителю перенапряжений вместе с разрядным зазором около крайнего электрода ограничителя перенапряжений (если он предусмотрен) прикладывается это перенапряжение. В результате этого последовательно пробиваются разрядные зазоры между защищаемым объектом и крайним или соединительным электродом на свободном конце ограничителя перенапряжений, между электродами разрядных модулей и далее между электродом крайнего разрядного модуля и крайним электродом ограничителя перенапряжений, который соединяется с опорой линии электропередачи. При достижении разрядом крайнего электрода ограничителя перенапряжений, закрепленного на опоре, импульсный ток разряда (например, грозового) стекает в землю, так как опора заземлена, и благодаря этому электрооборудование (защищаемый объект) оказывается защищено от этого перенапряжения.
Ограничитель перенапряжений в соответствии с общепринятой классификацией является разрядником. Приведенные выше технические результаты указаны в основном по сравнению с ограничителями перенапряжений из уровня техники, использующие варисторы. В сравнении с другими разрядниками, например, мультикамерными, настоящее изобретение также имеет преимущества, также представляющих собой технические результаты. В частности, достигается снижение размеров ограничителя перенапряжений по сравнению с ограничителями перенапряжений соответствующих классов напряжений. Снижение размеров обеспечивается одновременным применением модульности конструкции, что позволяет объемно размещать электроды, исключением выхода разрядных дуг наружу ограничителя перенапряжений, что позволяет более плотно размещать электроды, обеспечении прочности конструкции корпусом, что позволяет использовать менее прочные материалы для обеспечения необходимых свойств разрядных модулей, а также использованием эффекта приэлектродного падения напряжения, что позволяет снизить требования к прочностным характеристикам ограничителя перенапряжений и, тем самым, дополнительно снизить размеры ограничителя перенапряжений. Снижение размеров ограничителя перенапряжений при сохранении класса напряжения также можно представить как повышение класса напряжения при сохранении размера ограничителя перенапряжений.
Все указанные в описании технические результаты, в том числе дополнительные, достигаются с помощью ограничителя перенапряжений в соответствии с настоящим изобретением одновременно и неразрывно друг от друга. Представленные на сопровождающих фигурах варианты осуществления, а также детально описанные дополнительные варианты осуществления предназначены для упрощения понимания сущности изобретения и не должны толковаться как ограничивающие объем охраны изобретения, определяемый последующей формулой изобретения. Последовательность описанный действий и операций не является строго заданной и может меняться, если не указано другое и это не противоречит физической реализуемости. Описанные варианты могут объединяться и комбинироваться в любых сочетаниях, обеспечивающих реализацию принципа действия и достижение заявленных технических результатов. В результате комбинации отдельных вариантов могут достигаться дополнительные технические результаты.

Claims

24 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Ограничитель перенапряжений, включающий в себя корпус и разрядные модули, причем разрядные модули включают в себя изоляционные тела и множество электродов, размещенных в изоляционных телах с разрядными зазорами между собой; причем разрядные модули размещены в корпусе и последовательно электрически соединены; причем механическая прочность корпуса выше механической прочности разрядных модулей.
2. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что разрядные зазоры изолированы корпусом от внешнего пространства.
3. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что разрядные зазоры изолированы в разрядных модулях.
4. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что общее количество последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на приэлектродное падение напряжения.
5. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что общее количество последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений составляет не более величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 10 или 50 или 100 или 500 или 1000 величин приэлектродного падения напряжения.
6. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что общее количество последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений составляет не менее величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 500 В или на 300 В или на 200 В или на 100 В или на 50 В или на 30 В или на 20 В или на 15 В или на 10 В.
7. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что общее количество последовательных разрядных зазоров между электродами ограничителя перенапряжений составляет не более величины напряжения эксплуатации ограничителя перенапряжений, поделенной на 30 В или на 20 В или на 15 В или на 10 В или на 5 В или на 1 В или на 0,5 В.
8. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что разрядный модуль содержит не менее 10 или 15 или 20 или 30 или 50 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 электродов.
9. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что разрядный модуль содержит не более 20 или 30 или 50 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 или 1000 или 1500 или 2000 или 3000 или 5000 электродов.
10. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что содержит не менее 2 или 3 или 5 или 10 или 15 или 20 или 30 или 50 или 75 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 разрядных модулей.
11. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что содержит не более 10 или 15 или 20 или 30 или 50 или 75 или 100 или 150 или 200 или 300 или 500 или 1000 или 1500 или 2000 или 3000 разрядных модулей.
12. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что электроды расположены с разрядными зазорами между собой величиной не более 0,1 мм или 0,2 мм или 0,3 мм или 0,5 мм или 0,7 мм или 1 мм или 1 ,2 мм или 1 ,5 мм.
13. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что электроды расположены с разрядными зазорами между собой величиной не менее 0,01 мм или 0,02 мм или 0,03 мм или 0,05 мм или 0,07 мм или 0,1 мм или 0,2 мм или 0,3 мм или 0,5 мм или 0,7 мм или 1 мм.
14. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что электрическое соединение разрядных модулей осуществляется непосредственным соединением их электродов или через разрядные зазоры.
15. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что изоляционные тела разрядных модулей выполнены с использованием полимерного материала, например, силиконовой резины.
16. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что корпус выполнен с использованием полимерного материала и/или металла и/или композитной структуры и/или арматурной оплетки.
17. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что корпус включает в себя трубу и др.
18. Ограничитель перенапряжений по п. 1 , отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере один или более варисторов, включенных последовательно и/или параллельно с разрядными модулями.
PCT/RU2023/000003 2021-12-28 2023-01-10 Ограничитель перенапряжений WO2023128838A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021139441 2021-12-28
RU2021139441A RU2808757C2 (ru) 2021-12-28 Ограничитель перенапряжений

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023128838A1 true WO2023128838A1 (ru) 2023-07-06

Family

ID=86999995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2023/000003 WO2023128838A1 (ru) 2021-12-28 2023-01-10 Ограничитель перенапряжений

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023128838A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2256972C1 (ru) * 2004-02-03 2005-07-20 Гордин Николай Игоревич Ограничитель перенапряжений
RU2510651C1 (ru) * 2012-09-27 2014-04-10 Открытое Акционерное Общество "Нпо "Стример" Разрядник с направляющими для защиты электрооборудования от молниевых перенапряжений и изолятор линии электропередачи, снабженный таким разрядником
RU2549361C2 (ru) * 2013-06-10 2015-04-27 Открытое Акционерное Общество "Нпо "Стример" Мультикамерный изолятор-разрядник с предварительно изготовленными разрядными камерами
EA025691B1 (ru) * 2014-08-25 2017-01-30 Открытое Акционерное Общество "Нпо "Стример" Разрядник с полостями для защиты электрооборудования от молниевых перенапряжений, а также изолятор и линия электропередачи, снабженные таким разрядником

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2256972C1 (ru) * 2004-02-03 2005-07-20 Гордин Николай Игоревич Ограничитель перенапряжений
RU2510651C1 (ru) * 2012-09-27 2014-04-10 Открытое Акционерное Общество "Нпо "Стример" Разрядник с направляющими для защиты электрооборудования от молниевых перенапряжений и изолятор линии электропередачи, снабженный таким разрядником
RU2549361C2 (ru) * 2013-06-10 2015-04-27 Открытое Акционерное Общество "Нпо "Стример" Мультикамерный изолятор-разрядник с предварительно изготовленными разрядными камерами
EA025691B1 (ru) * 2014-08-25 2017-01-30 Открытое Акционерное Общество "Нпо "Стример" Разрядник с полостями для защиты электрооборудования от молниевых перенапряжений, а также изолятор и линия электропередачи, снабженные таким разрядником

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2009337203B2 (en) Lighting arrester and a power transmission line provided with such an arrester
EP0646276B1 (en) Electrical surge arrester
EP0393854B1 (en) Fail-safe surge arrester
RU2346368C1 (ru) Разрядник для грозозащиты и линия электропередачи, снабженная таким разрядником
EP0280189B1 (en) Surge arrester
US4989115A (en) Surge arrester
AU2005242350A1 (en) Liquid immersed surge arrester
EP1625600B1 (en) A surge arrester
WO2023128838A1 (ru) Ограничитель перенапряжений
RU2808757C2 (ru) Ограничитель перенапряжений
CN108878084A (zh) 防爆避雷器
RU2809503C2 (ru) Способ изготовления ограничителя перенапряжений
CN108766697B (zh) 一种复合绝缘金属氧化物避雷器
RU2735091C1 (ru) Разрядник с защитным искровым промежутком
RU2730173C1 (ru) Разрядник мультикамерный с выступающими электродами
RU171056U1 (ru) Петлевой мультиэлектродный разрядник
RU2730085C1 (ru) Разрядник с напорными камерами
US8059379B2 (en) Lightning arrestor
RU2619765C1 (ru) Разрядник с напорными камерами
RU2808500C1 (ru) Устройство для защиты изоляции электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений
RU2144712C1 (ru) Устройство для защиты от перенапряжений
JPS63313805A (ja) 避雷器
WO1991017554A1 (en) Surge arrester
EA044019B1 (ru) Разрядник с защитным искровым промежутком
RU2100885C1 (ru) Импульсный искровой грозовой разрядник для электропередачи

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23735172

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1